PEM制氫降本“大殺器”來(lái)了
摘要
電解水制氫有四大技術(shù)路徑,堿性(ALK)、質(zhì)子交換膜(PEM)、陰離子交換膜(AEM)和高溫固體氧化物(SOEC);其中,較為成熟的是ALK和PEM。
目前,ALK是電解水制氫市場(chǎng)的主流應(yīng)用。ALK的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備成本低,缺點(diǎn)是電耗高、體積大、靈活性差;PEM的電耗低、體積小、靈活度高,但設(shè)備成本高昂阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。
以一臺(tái)1MW電解槽為例,ALK電解槽的成本為80萬(wàn)元,而PEM電解槽成本超300萬(wàn)元。目前,業(yè)內(nèi)基于全新的直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層,開(kāi)發(fā)出“六合一”一體化結(jié)構(gòu),有望將1MW的PEM電解槽成本降至150萬(wàn)元,大幅提高PEM制氫的經(jīng)濟(jì)性。
未來(lái),PEM制氫技術(shù)對(duì)ALK制氫技術(shù),能否再現(xiàn)當(dāng)年光伏行業(yè)單晶硅對(duì)多晶硅的替代,我們拭目以待。
“六合一”結(jié)構(gòu)下,1MW的PEM電解槽成本僅150萬(wàn)元,成本下降基于兩點(diǎn):
①陽(yáng)極多孔傳輸層:陽(yáng)極直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層對(duì)傳統(tǒng)鈦氈的替代。
1MW的PEM電解槽,未鍍鉑鈦氈的成本為23萬(wàn)元,未鍍鉑直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層的成本僅9萬(wàn)元,成本下降60%。鈦氈→直通孔結(jié)構(gòu)是多孔傳輸層無(wú)序化→有序化的迭代。直通孔結(jié)構(gòu)是在一片薄薄的鈦板上形成眾多有規(guī)則的上下直通的十微米級(jí)小孔,相比鈦氈,一是直通孔結(jié)構(gòu)的孔道上下直通,更有利于反應(yīng)水和氧氣泡的傳輸,二是直通孔結(jié)構(gòu)與催化劑層為面接觸,接觸面更大,電阻更小。
②“六合一”結(jié)構(gòu):將直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層、細(xì)目鈦網(wǎng)、粗目鈦網(wǎng)、鈦平板雙極板、粗目鈦網(wǎng)、細(xì)目鈦網(wǎng)這六層組件按順序焊接成一體化器件,替代現(xiàn)有的“鈦氈+蝕刻鈦雙極板”結(jié)構(gòu)。
兩者相比,“六合一”結(jié)構(gòu)下,一是省去鈦雙極板的蝕刻成本,并減少鈦板厚度,降低鈦材用量;二是“六合一”結(jié)構(gòu)僅需在直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層陽(yáng)極側(cè)進(jìn)行貴金屬鍍層,至少減少兩面鍍層,大幅降低貴金屬用量。1MW的PEM電解槽,現(xiàn)有“鈦氈+蝕刻鈦雙極板”(含三面鍍層)為190萬(wàn)元,“六合一”結(jié)構(gòu)(含一面鍍層)成本僅為30萬(wàn)元,成本下降85%。
直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層是“六合一”結(jié)構(gòu)的靈魂。一是在性能上,直通孔結(jié)構(gòu)本身相比鈦氈擁有諸多優(yōu)勢(shì),具有更好的傳質(zhì)能力、更低的接觸電阻,且直通孔結(jié)構(gòu)與鈦網(wǎng)為面接觸,焊接點(diǎn)更牢固,壽命更長(zhǎng)。二是在成本上,直通孔結(jié)構(gòu)可采用PVD鍍法,而鈦氈為保證壽命一般需要采用電鍍,PVD鍍法的貴金屬用量要比電鍍減少50%以上。
目前,業(yè)內(nèi)已有不少企業(yè)開(kāi)始嘗試革命性的直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層,以及全新的“六合一”結(jié)構(gòu),PEM制氫技術(shù)的進(jìn)步和降本如火如荼。
星星之火,可以燎原。相信在這些具備開(kāi)拓精神企業(yè)的引領(lǐng)下,中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)必將接棒鋰電、光伏和風(fēng)電,成為中國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的新名片。
01
引言
電解水制氫有四大技術(shù)路徑,堿性(ALK)、質(zhì)子交換膜(PEM)、陰離子交換膜(AEM)和高溫固體氧化物(SOEC);其中,較為成熟的是ALK和PEM。目前,ALK是電解水制氫市場(chǎng)的主流應(yīng)用。ALK的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備成本低,缺點(diǎn)是電耗高、體積大、靈活性差;PEM的電耗低、體積小、靈活性高,但設(shè)備成本高昂阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。
以一臺(tái)1MW(產(chǎn)氫200Nm3/h)電解槽為例,ALK電解槽成本為80萬(wàn)元,而PEM電解槽成本超300萬(wàn)元。目前,業(yè)內(nèi)基于全新的直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層,開(kāi)發(fā)出“六合一”一體化結(jié)構(gòu),有望將1MW的PEM電解槽成本降至150萬(wàn)元,大幅提高PEM制氫經(jīng)濟(jì)性。
未來(lái),PEM制氫技術(shù)對(duì)ALK制氫技術(shù),能否再現(xiàn)當(dāng)年光伏行業(yè)單晶硅對(duì)多晶硅的替代,我們拭目以待。
02
多孔傳輸層:鈦氈→直通孔結(jié)構(gòu),從無(wú)序化→有序化的迭代
PEM電解槽有三個(gè)關(guān)鍵組成部分:①膜電極(質(zhì)子交換膜、陰極鉑催化劑、陽(yáng)極銥催化劑);②多孔傳輸層(陰極碳基氣體擴(kuò)散層GDL、陽(yáng)極鈦基多孔傳輸層PTL);③鈦雙極板。電解水制氫過(guò)程中,去離子水從陽(yáng)極側(cè)鈦板流道流入,經(jīng)陽(yáng)極PTL輸送至陽(yáng)極銥催化層,在其表面發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生O2和H+,O2經(jīng)陽(yáng)極PTL從陽(yáng)極鈦極板收集流出,H+穿過(guò)質(zhì)子交換膜在陰極鉑催化層發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生H2,H2再經(jīng)陰極GDL從陰極鈦極板收集流出。
多孔傳輸層(Porous Transport Layer, PTL)位于雙極板和陽(yáng)極催化劑層之間,在陽(yáng)極析氧反應(yīng)中起到輸水(反應(yīng)水流入)、排氣(氧氣泡排出)、導(dǎo)熱(熱量導(dǎo)出)、導(dǎo)電作用。
產(chǎn)業(yè)界中,陽(yáng)極多孔傳輸層經(jīng)歷了鈦網(wǎng)→鈦粒燒結(jié)板→鈦纖維燒結(jié)氈(簡(jiǎn)稱(chēng)鈦氈)等結(jié)構(gòu),鈦氈因?yàn)橹谱鞴に嚭?jiǎn)單、孔隙率高等特點(diǎn),是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外多孔傳輸層的普遍選擇。
全球主要供應(yīng)商為比利時(shí)貝卡爾特,國(guó)內(nèi)鈦氈廠家則主要來(lái)自過(guò)濾材料的生產(chǎn)企業(yè)。
陽(yáng)極多孔傳輸層是氣、液、電、熱四相場(chǎng)的集成。
①PTL是氣、液的交匯場(chǎng),反應(yīng)水經(jīng)PTL進(jìn)來(lái),生成的氧氣泡經(jīng)PTL出去,要盡可能讓水、氣的雙向流動(dòng)更順暢、減少對(duì)流阻力;傳統(tǒng)鈦氈結(jié)構(gòu)是無(wú)序化的,其內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)分布隨機(jī),導(dǎo)致反應(yīng)水和氧氣泡在其內(nèi)部傳輸阻力較大。
②PTL要承擔(dān)導(dǎo)電的功能,需要盡可能增大與催化層的接觸面;鈦氈與催化劑層的接觸為線接觸,接觸面較小,導(dǎo)致氣、液、固三相交界的電化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn)較少,阻抗偏高。
③PTL的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)與其接觸的膜電極造成影響;鈦氈表面的孔徑大小不一,標(biāo)準(zhǔn)差大,較大孔徑甚至可能會(huì)超過(guò)100微米,在陰陽(yáng)極壓差(3.5MPa)下易將膜電極“擠”進(jìn)孔道,產(chǎn)生膜電極“鼓包”;同時(shí),較大孔徑處更易反應(yīng)、損耗更多,“短板效應(yīng)”會(huì)縮短膜電極整體壽命。
針對(duì)鈦氈結(jié)構(gòu)的不足,行業(yè)內(nèi)開(kāi)發(fā)出全新的直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層(簡(jiǎn)稱(chēng)SP-PTL,Straight Pore-PTL)。
從第一性原理看,直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層
①孔道上下直通,進(jìn)水、排氧氣更順暢,大電流密度下優(yōu)勢(shì)更明顯;
②與催化劑層為面接觸,較大幅度降低接觸面電阻;
③孔道尺寸小于主流PEM膜的厚度、且孔尺寸均一、標(biāo)準(zhǔn)差小,不易產(chǎn)生膜電極鼓包和反應(yīng)不均一問(wèn)題。1MW的PEM電解槽,未鍍鉑鈦氈的成本為23萬(wàn)元,未鍍鉑直通孔結(jié)構(gòu)的成本僅9萬(wàn)元,成本下降60%。
此外,鈦氈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其最適宜的鍍層方式為水電鍍,而不太適宜更節(jié)省貴金屬的PVD物理氣相沉積法。鈦氈結(jié)構(gòu)內(nèi)部導(dǎo)電是通過(guò)鈦絲與鈦絲的燒結(jié)點(diǎn),在陽(yáng)極強(qiáng)氧化、強(qiáng)酸環(huán)境下,通常需要將鈦氈內(nèi)部的所有鈦絲燒結(jié)點(diǎn)均浸沒(méi)在電鍍液中,鍍上鉑金保護(hù)層,以保證壽命。
03
降本利器,PEM“六合一”橫空出世
直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層是“六合一”結(jié)構(gòu)的靈魂。
“六合一”結(jié)構(gòu)是將直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層、細(xì)目鈦網(wǎng)、粗目鈦網(wǎng)、鈦平板雙極板、粗目鈦網(wǎng)、細(xì)目鈦網(wǎng)這六層組件按順序焊接成一體化器件,替代現(xiàn)有的“鈦氈+蝕刻鈦雙極板”。
直通孔結(jié)構(gòu)在“六合一”中的作用難以被鈦氈取代,一是鈦氈本身在性能上不及直通孔結(jié)構(gòu)效率高,二是直通孔結(jié)構(gòu)與鈦網(wǎng)為面接觸,其焊接點(diǎn)牢固程度要遠(yuǎn)大于鈦氈與鈦網(wǎng)間的線接觸,壽命更長(zhǎng)。三是直通孔結(jié)構(gòu)下的鍍層成本要比鈦氈低很多。直通孔結(jié)構(gòu)的“六合一”,可采用PVD物理鍍法,對(duì)直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層陽(yáng)極側(cè)進(jìn)行單面鍍鉑;若采用鈦氈,為保證壽命,需對(duì)鈦氈及整個(gè)“六合一”進(jìn)行水電鍍化學(xué)鍍法,貴金屬用量大大增加。
相較于現(xiàn)有的“鈦氈+蝕刻雙極板+三面鍍鉑”,PEM“六合一”結(jié)構(gòu)降低了三方面成本:
一是用鈦網(wǎng)替代流場(chǎng),減少了鈦雙極板的蝕刻成本。標(biāo)準(zhǔn)化的鈦網(wǎng)成本遠(yuǎn)低于蝕刻雙極板,同時(shí),粗目鈦網(wǎng)+細(xì)目鈦網(wǎng),與SP-PTL形成三級(jí)梯度結(jié)構(gòu),三級(jí)梯度的孔徑為等比,更有利于氧氣泡的排出。
二是“直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層+粗目/細(xì)目鈦網(wǎng)+鈦雙極板”六層組件焊接成一體化器件,減少了2面鉑鍍層成本。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中,需要對(duì)鈦氈兩面、蝕刻鈦雙極板陽(yáng)極面,共計(jì)3面鍍鉑。在PEM“六合一”中,僅需對(duì)直通孔結(jié)構(gòu)與陽(yáng)極催化層接觸面鍍鉑,極大降低貴金屬用量。PEM器件的一體化還減少了多層接觸面電阻,降低電解電壓,提高了電解效率。
三是在鍍層技術(shù)選擇上,鈦氈因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,海外常采用電鍍法確保其壽命;而直通孔結(jié)構(gòu)可直接采用PVD鍍層法,鍍層方法簡(jiǎn)單,貴金屬鉑用量可減少50%以上。按1MW的PEM電解槽測(cè)算,現(xiàn)有鈦氈+蝕刻鈦雙極板(含三面鍍層)為190萬(wàn)元,“六合一”結(jié)構(gòu)(含一面鍍層)成本僅為30萬(wàn)元,成本下降85%。
以1MW的PEM電解槽為例,工作電壓1.85V、電流密度1.85A/cm2,50-60℃工況,N115膜。
現(xiàn)有“鈦氈+蝕刻雙極板”結(jié)構(gòu)下,PEM電解槽電堆成本313萬(wàn)元,“六合一”結(jié)構(gòu)下,PEM電解槽電堆成本僅150萬(wàn)元,成本下降50%。若在PEM“六合一”基礎(chǔ)上,考慮膜電極技術(shù)進(jìn)步,如質(zhì)子交換膜國(guó)產(chǎn)化、銥催化劑載量降低,PEM電解槽電堆成本不超過(guò)100萬(wàn)元。
目前,業(yè)內(nèi)已有不少企業(yè)開(kāi)始嘗試革命性的直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層,以及全新的“六合一”結(jié)構(gòu),PEM制氫技術(shù)的進(jìn)步和降本如火如荼。星星之火,可以燎原。相信在這些具備開(kāi)拓精神企業(yè)的引領(lǐng)下,中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)必將接棒鋰電、光伏和風(fēng)電,成為中國(guó)新能源的新名片。
本文作者:國(guó)泰君安證券陳磊、王浩、鮑雁辛
原文標(biāo)題 : PEM制氫降本“大殺器”來(lái)了
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